一种空间行波管收集极入口能量分布测试方法及应用

收集极效率是空间行波管整管效率的重要组成部分,收集极入口能量分布对收集极的设计至关重要。在行波管设计中,直接通过互作用仿真计算获得的收集极入口能量分布往往与实际存在较大偏差。本文介绍了一种使用收集极电极加电势构造空间势垒测试收集极入口能量的方法,并通过此方法测试了某空间行波管收集极入口能量分布,通过调整激励功率等方法构造与测试入口能量分布接近的收集极入口电子注,并使用此入口电子注对收集极电子光学结构进行了优化,取得了较好效果。

考虑次级电子的行波管多级降压收集极的辅助设计计算

文中较全面地讨论了多级降压收集极的物理模型.借助Orion(2.5维)软件设计出效率较高的带有再聚焦系统的四级降压收集极,并考虑了次级电子的影响,模拟计算多级降压收集极和再聚焦区的性能,为行波管整管效率的提高提供了保证.

耦合腔行波管多级降压收集极的模拟设计

本文中较全面地讨论了多级降压收集极的物理模型。通过分析3个工作频率点高频输出端的电子注特性来设计多级降压收集极:借助电子注层流性参量,对带有再聚焦磁场的散群聚区进行优化,得到磁场参量的初始值;运用电子轨迹等效电位图,确定各电极的初步电位,通过收集极区结构和电极电位的优化得到较高的收集极效率;通过收集极的全面优化使收集极效率得到了进一步的提高;在考虑二次电子发射情况下,对收集极结构和电极电位进行优化,在保证收集极效率的情况下使二次电子回流率为零。模拟结果表明:借助电子注层流参量设计出带有再聚焦磁场的散群聚区使电子轨迹层流性得到较大改善;合理的结构和电极电位能得到较高的收集极效率;二次电子发射对收集极效率影响较大,合理的调节外凸锥形电极的倾角能避免二次电子回流。此设计运用于一耦合腔行波管收集极的模拟计算,达到了良好的效果。

行波管收集极的热分析

随着行波管的大功率小型化,收集极的温度分布和采用的散热手段对行波管的正常工作有很大影响。利用ANSYS软件对行波管收集极的散热问题进行详细的模拟计算,分析比较了不同热流加载方式对收集极温度分布的影响。采用均匀热流加载定性地比较计算了自然冷却、风冷、单层水套和双层水套等不同散热条件下收集极的热耗散功率,计算结果与经验值一致,说明了所用模型和方法的正确性。模拟分析为行波管收集极的散热方案优化设计提供有效的参考依据和手段。

回旋行波管收集极的热分析

为解决回旋管行波管收集极的散热问题,保障回旋行波管工作的可靠性和稳定性,利用CST电子仿真软件模拟出电子在回旋行波管中的运动轨迹,并因此确定了进入收集极的电子注的初始条件。利用ANSYS有限元软件对回旋行波管收集极的散热特性进行详细的模拟计算,分析比较了不同热流密度加载方式对收集极温度分布的影响。采用非均匀热流加载方式探究了水温和流速对收集极温度的影响,并对收集极的散热翼片的数目和尺寸进行了优化,最终得出了比较理想的结构。模拟结果优于经验值,说明了所用模型和方法的正确性。

多级降压收集极CAD中的二次电子发射模型

多级降压收集极被广泛应用于提高微波放大器件效率。多级降压收集极中的二次电子发射对其效率有重要影响。该文探讨了真二次电子、弹性反射电子、非弹性反射电子3种二次电子发射模型,对发射率、发射角度以及能量分布情况进行了深入分析,并对考虑二次电子后的收集极模拟计算收敛条件进行了讨论。上述结果在多级降压收集极CAD软件中得到应用,定量分析了其对多级降压收集极效率的影响。

重复频率运行强流电子束收集极热特性

针对一种返波管常规收集极,实测了电子束在收集极内表面的有效作用面积,以电子能量700keV、束流7kA和脉宽50ns为例,计算了单脉冲时的热功率沉积和平均热流密度。利用通用有限元软件AN-SYS,采用脉冲热源加载的方式,在对流换热系数7 000W/(m2.℃)、水温20℃的条件下,得到了收集极10～100Hz运行时温度历史曲线及温度分布,并比较了不同重复频率下收集极平衡温度与对流换热系数的关系。如果以300℃为气体发生显著热脱附的温度阈值,对流换热系数为7000W/(m2.℃)时,能够满足重复频率50Hz以下运行,而到100Hz时,对流换热系数则需增加到104 W/(m2.℃)。根据流体计算公式,给出了不同对流换热系数对应的水流流速。

W波段连续波30kW回旋振荡管高频系统和收集极的设计

根据回旋管的电子回旋脉塞理论,借助于编写的回旋振荡管自洽非线性注-波互作用计算程序,设计出了工作频率94GHz、工作电压30kV、工作电流3A的基次谐波连续波单腔回旋振荡管,工作模式为TE02模。设计的回旋振荡管在电压30.0kV、电流3.0A、速度横纵比1.5的条件下,获得了31.8kW的输出功率,电子效率约35%。利用粒子模拟仿真软件对设计的回旋管收集极辅助线包散焦系统进行了粒子模拟仿真分析,模拟结果表明:借助于辅助线包散焦系统可以有效缩短回旋振荡管的轴向尺寸,并使回旋管收集极上的电子束功率密度低于500W/cm2;W波段回旋振荡管收集极的热测试验结果表明:利用粒子模拟仿真获得的收集极上的电子束功率密度分布与其试验测量结果比较吻合。

多注毫米波行波管收集极的热设计

为解决多注毫米波行波管收集极的散热问题,保障行波管工作可靠性与稳定性,利用ANSYS有限元软件模拟分析了收集极的传热特性,针对性地调整和优化了收集极相关参数与结构。研究结果表明:接触热阻是造成收集极具有较高温升的一个重要因素,由接触热阻所造成的温升约占收集极内外温度差的1/3;并不是第二电极与磁环接触宽度越宽所对应的收集极散热能力就越强,而是在一定工作条件下其散热能力存在极限值;对于绝缘陶瓷材料,应根据绝缘陶瓷的温度特性以及行波管的功率大小来进行选择;翼片式散热器是一种符合设计要求的理想散热结构。

利用微加工工艺提高空间行波管收集极效率

针对二次电子发射系数对空间行波管收集极效率的影响,通过降低二次电子发射系数的方法,提高收集极的效率。并以无氧铜为例,使用化学刻蚀的方法对无氧铜样片进行表面处理,得到规则微孔阵列结构。使用二次电子发射测试平台对有无表面处理的无氧铜样片进行测量。测量结果显示,经化学刻蚀处理后的样片的最大二次电子发射系数由1.33减小到0.96,二次电子发射抑制效果明显。将测得的两个二次电子发射系数曲线用于空间行波管收集极的模拟设计中。选用已有的3个收集极结构模型,使用模拟软件进行仿真并计算收集极效率。结果表明,3个收集极结构模型的效率分别由原来的80.1%、57.5%、42.1%提高到82.55%、62.6%、59.2%。该结果对于空间行波管收集极的设计具有重要参考价值。

空间行波管收集极的热特性分析

利用有限元方法对一Ku波段空间行波管收集极的热特性进行了模拟计算,得到了收集极的温度分布图。分析比较了接触热阻和热辐射对热特性的影响,结果表明接触热阻明显地阻碍了热量的散失,使收集极整体温度有一定上升,而热辐射在使收集极各部分温度降低的同时,使温度分布更均匀。运用间接法进行了热-应力耦合分析,得到了收集极的位移场分布等值线图,进而确定该收集极采用的结构在热形变方面满足散热要求;并对在轴向加矩形翅片和在径向加圆形翅片两种散热方案进行了分析,得到了各自的优缺点,为散热方案的选择提供了依据,从而可以更好地提高散热效率。

MAFIA在行波管多级降压收集极模拟中的应用

评述了传统二维稳态轨迹程序模拟多级降压收集极计算方法,同时提出了使用MAFIA+大信号分析软件对多级降压收集极进行全三维动态PIC模拟的方法和收集极效率简化计算公式。初步模拟实例表明该方法与实验结果吻合较好,为收集极的精确模拟和优化设计提供了新的途径。同时也指出了该方法存在的不足。

不锈钢电子束收集极的损伤能量密度阈值

对强磁场相对论返波管系统中电子束收集极损伤的主要影响因素进行了分析,通过设计并使用锥面不锈钢收集极,提高了收集极的耐电子束轰击能力。在单次实验条件下,研究了电子束能量密度对不锈钢收集极表面损伤及系统产生微波的影响,结合对无箔二极管中电子束空间密度分布的研究结果,给出了不锈钢收集极损伤电子束能量密度阈值范围。

非轴对称磁场对多级降压收集极性能的影响

收集效率和回流率是体现多级降压收集极性能的两个重要指标,本文尝试在收集极表面加上一定弧度的磁钢贴片,以此在收集极内引入非轴对称磁场,通过调节磁场的大小和位置,观察磁场对收集极内电子运动轨迹的影响,寻求实现收集极效率的最大化并抑制二次电子回流。针对某一Ku波段行波管多级降压收集极,加入优化磁场后的计算结果与未加磁场时相比,各电极电流分布发生变化,部分电子被更靠后的电极所收集,中频点处回流率由原来的2.49%降低到0.54%,同时收集效率提高超过3%达到79.07%。收集极性能的改善也为行波管效率的提高提供了保证。

电子束收集极对大间隙速调管输出腔效率的影响

利用高频电磁软件对带电子束收集极的S波段大间隙输出腔进行了高频特性分析,采用3维PIC程序模拟了电子束收集极对大间隙速调管输出效率的影响。研究结果表明:收集极的存在会改变输出腔的本征谐振频率和电子束路径上的特性阻抗等高频特性,但收集极可以短路间隙附近的径向电场,减小电子束的空间电荷压力,同时对群聚电子进行再加速,从而提高大间隙速调管的输出效率;在束电压700kV,直流电流6kA时,优化后的带收集极的大间隙输出腔可稳定提取大于1.68GW的微波功率,提取效率约40.1%,比无收集极时提高约5%。

使用ANSYS接触单元模拟研究行波管收集极的接触热阻

收集极是行波管的主要发热部件,本文利用ANSYS对某行波管的四级降压收集极进行了热分析,其中利用了AN-SYS中的接触单元CONTA172和TARGE169来模拟收集极各零件间的接触热阻。该方法相对以前人们采用接触区过渡薄层的方法更加简便,特别是解决了接触区过渡薄层划分网格困难、计算量巨大的难题。通过分析,本文给出了收集极的最高温度随接触面积比和配合间隙变化的规律。

多级降压收集极中次级电子的研究

效率与电子回流率是考核多级降压收集极的重要指标,而多级降压收集极中次级电子的存在对效率和电子回流率有重要影响。因此,对次级电子的研究有重要意义。本文探讨了次级电子发射的物理原型,并根据其编制了相应的CAD程序,在对多级降压收集极的试算中,取得了较好的效果。

收集极散热性能研究发展现状

综合叙述了目前人们为提高空间行波管收集极的散热性能而在其材料的选取、接触热阻的考虑和散热器设计方面所进行的研究,并给出了一些建议。

多级降压收集极过渡区磁系统的计算及优化

运用三维电磁场模拟软件Ansoft Maxwell3D对多级降压收集极过渡区磁场进行模拟计算及修正,模拟与实测结果轴向最大磁场误差在6%,同时采用Ansoft Maxwell3D与MTSS协同仿真的方法,并以提高回收效率和减小回流率为目标对Ku波段空间行波管多级降压收集极过渡区磁场进行了优化,优化后收集极中心频率收集效率从77.28%提高到79.63%,回流率从2.49%降低到0.59%。并对整管进行了测试,测试结果表明,收集极收集效率大于73.77%,行波管总效率大于59%,回流率小于0.79%,达到了预期目标,可以满足某通信卫星的要求。

多级降压收集极入口电子速度分布研究与应用

研究了多级降压收集极入口电子速度分布理论,并设计实验获取了入口电子能量分布密度函数。利用能量分布密度函数构造比较真实的收集极仿真初始条件,仿真结果与实测数据有很好的一致性。较旧的仿真初始条件仿真结果有很大改善,为多级降压收集极的设计和优化提供了有效依据,从而提高行波管的效率。